発酵液循環式メタン発酵方法及び装置
【課題】高効率なメタン発酵処理を長期間安定的に維持する方法を提供する。
【解決手段】内側の所定高さに移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０とが設けられた嫌気性原料槽１０に軽量異物Ｍの混入した有機性固形廃棄物Ｃを投入し、原料槽１０に発酵液Ｓを供給してすると共に原料槽１０の発酵液Ｓを下方から引き抜いて上方へ戻す循環によって液面を所定高さに維持し、原料槽１０に投入された廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させつつ可溶化して発酵液Ｓと共に循環させつつバイオガスＧに分解し、原料槽１０の液面に浮かぶ軽量異物Ｍをレーキ６０の移動によりスクリューコンベア７０に集めて排出する。好ましくは、発酵槽３０に貯えた発酵液Ｓを原料槽１０へ継続的に供給し、原料槽１０の発酵液Ｓを継続的に引き抜いて固液分離し且つ分離した濾液Ｄを発酵槽３０へ送ると共に固形分Ｅを原料槽１０へ戻して循環させる。
【解決手段】内側の所定高さに移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０とが設けられた嫌気性原料槽１０に軽量異物Ｍの混入した有機性固形廃棄物Ｃを投入し、原料槽１０に発酵液Ｓを供給してすると共に原料槽１０の発酵液Ｓを下方から引き抜いて上方へ戻す循環によって液面を所定高さに維持し、原料槽１０に投入された廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させつつ可溶化して発酵液Ｓと共に循環させつつバイオガスＧに分解し、原料槽１０の液面に浮かぶ軽量異物Ｍをレーキ６０の移動によりスクリューコンベア７０に集めて排出する。好ましくは、発酵槽３０に貯えた発酵液Ｓを原料槽１０へ継続的に供給し、原料槽１０の発酵液Ｓを継続的に引き抜いて固液分離し且つ分離した濾液Ｄを発酵槽３０へ送ると共に固形分Ｅを原料槽１０へ戻して循環させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発酵液循環式メタン発酵方法及び装置に関し、とくに有機性固形廃棄物を原料槽に貯えて発酵液を循環させながらメタン発酵処理する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
資源循環型社会を実現するため、生ごみや紙ごみ等の有機性固形廃棄物を嫌気性微生物によりエネルギー源として利用可能なバイオガス（約６０％のメタンガス、約４０％の二酸化炭素ガス、少量の硫化水素等を含む）に変換するメタン発酵処理の実用化が進められている。従来のメタン発酵処理の一例は、例えば特許文献１が開示するように、有機性固形廃棄物を混入異物と分別したうえでスラリー状に微粉砕し、メタン発酵槽（嫌気性発酵槽）内で嫌気性微生物と接触させてメタン発酵させる湿式法である。しかし、湿式メタン発酵法はスラリー化に手間がかかると共に、スラリー化のために廃棄物に対して少なくとも１〜２倍程度の希釈水を加える必要があるため発酵処理後に生じる発酵廃液の量が増え、廃水処理負担が増える問題点がある。
【０００３】
これに対し本発明者らは、特許文献２〜４に開示するように、有機性固形廃棄物を無加水でスラリー化せずに処理できる発酵液循環式メタン発酵法を開発した。図６は、特許文献４の開示するメタン発酵装置１の一例を示す。図示例のメタン発酵装置１は、有機性固形廃棄物Ｃを気密に貯える原料槽１０と、廃棄物Ｃを分解する嫌気性微生物が含まれる767A酵液（消化液）Ｓを気密に貯えるメタン発酵槽３０と、発酵槽３０の発酵液Ｓを原料槽１０へ継続的に供給する供給装置４０と、原料槽１０の発酵液Ｓを継続的に引き抜いて固形分Ｅと濾液Ｄとに分離し且つ分離した濾液Ｄを発酵槽３０へ送ると共に固形分Ｅを原料槽１０へ戻す固液分離装置２０とを有し、原料槽１０と発酵槽３０との間で発酵液Ｓを循環させながら廃棄物Ｃをメタン発酵させるものである。原料槽１０及び発酵槽３０はそれぞれ廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓを気密に貯えることができる嫌気槽であり、ガス回収路４４によって気相部が相互に連通されている。
【０００４】
原料槽１０の取入口８には、例えば一般家庭やレストラン、食品工場等から排出されるいわゆる可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃを、破砕装置２で適当な大きさに粗粉砕したうえで一定量ずつ連続的に投入する。その原料槽１０に発酵槽３０から発酵液Ｓを供給し、廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させる。原料槽１０の廃棄物Ｃは発酵液Ｓに浸漬・混合されながら嫌気性微生物により徐々に可溶化するが、その廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓの混合液（Ｃ＋Ｓ）を引き抜き装置１４により原料槽１０から引き抜き、固液分離装置２０に導入して固形分Ｅと濾液Ｄとに分離する。原料槽１０において十分に可溶化されて小粒径となった廃棄物Ｃは、発酵液Ｓと共に分離装置２０から濾液Ｄとして輸送路２８を介して発酵槽３０に送られ、発酵槽３０と原料槽１０との間を循環しながら嫌気性微生物により更にバイオガスＧに分解される。他方、原料槽１０において未だ十分に可溶化されていない大粒径の廃棄物Ｃは、固形分Ｅとして分離装置２０から返戻路２７を介して原料槽１０に戻され、原料槽１０において更に可溶化されて小粒径となったのち固液分離装置２０へ再導入される。
【０００５】
図６に示す発酵液循環式メタン発酵法は、有機性固形廃棄物Ｃを先ず原料槽１０で発酵液Ｓに浸漬させながら可溶化し、可溶化した廃棄物Ｃのみを発酵液Ｓと共に発酵槽３０に循環させてバイオガスＧに分解する方法であり、廃棄物Ｃ中の微生物分解速度の比較的早い易分解性有機物（例えば生ごみ等）と比較的遅い難分解性有機物（例えば紙ごみ等）とで原料槽１０に留まる滞留時間を切り分け、両者を含む廃棄物Ｃ全体をスラリー化せずに高効率でメタン発酵処理することができる。また、廃棄物Ｃを無加水で処理するので、発酵槽３０から適宜引き出す発酵廃液Ｎの量も小さく抑えることができる。原料槽１０において固形廃棄物Ｃの分解反応（酸発酵）により有機酸を生じるが、発酵液Ｓの循環により有機酸の蓄積による原料槽１０のｐＨ低下（酸敗）を防ぐことができ、原料槽１０において固形廃棄物Ｃの効率的な可溶化を促進すると共に、原料槽１０においても供給される発酵液Ｓ中のメタン生成菌等が酸発酵の生成物を分解してバイオガスＧを生成することができる。
【０００６】
なお、発酵液循環式メタン発酵装置１は、図６のように原料槽１０と発酵槽３０とを用いた二槽式に限らず、例えば図８のように原料槽１０のみを用いた一槽式とすることも可能である（非特許文献３参照）。図８の原料槽１０は、内部を上下に仕切る有孔隔壁２１と、その隔壁上方に設けた有機性固形廃棄物Ｃの取入口８と、原料槽１０内に発酵液Ｓを供給する供給路４１と、原料槽１０内の発酵液Ｓを隔壁下方から引き抜いて隔壁上方へ戻して循環させるポンプ１６付きの循環路１５、２７とを有する。例えば可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃを原料槽１０の隔壁上方に投入すると共に発酵液Ｓを供給し、廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬しながら可溶化し、可溶化した廃棄物Ｃを発酵液Ｓと共に循環路１５、２７に循環させてメタン発酵する。図８のような一槽式の発酵液循環式メタン発酵装置も、可溶化前の廃棄物Ｃを有孔隔壁２１の固液分離作用によって原料槽１０内に留め、可溶化した廃棄物Ｃのみを発酵液Ｓと共に循環させてバイオガスＧに分解するので、易分解性有機物と難分解性有機物との両者を含む廃棄物Ｃ全体を高効率でメタン発酵処理することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３０６４２７２号公報
【特許文献２】特開２００７−０４４５８８号公報
【特許文献３】特開２００７−２１６１３５号公報
【特許文献４】特開２０１０−１４２７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図６及び図８に示す従来の発酵液循環式メタン発酵装置１では、原料槽１０の取入口８に選別装置３を設け、可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃ中に含まれるメタン発酵に不適な異物Ｋ（発泡スチロールや木片等）を選別分離し、バイオガス化に適した有機性固形有機物Ｃを原料槽１０に投入している。ただし、選別装置３で異物Ｋを完全に選別することは困難であり、選別できなかった異物Ｋが原料槽１０に徐々に蓄積する。発酵液循環式メタン発酵装置１を安定的に維持するためには原料槽１０内に蓄積した異物Ｋを適宜排出・除去しなければならないが、原料槽１０を開放すると空気（酸素）が流入して嫌気性微生物の失活（発酵効率の低下）を招き、爆発しうるメタンや有害な硫化水素を含むバイオガスＧが周囲に拡散するおそれもあるので、原料槽１０を密閉したまま内部の異物Ｋを外部へ排出する機構が必要である。
【０００９】
図６及び図８の原料槽１０は、内部を密閉状態（嫌気状態）に保持しつつ異物を排出するため、内部空間の底部（図８では隔壁上方空間の底部）に開閉弁１９ａ付き排出口１９を設け、空間上方の液面位に開閉弁１７ａ付き引き出し路１７を設けている。底部に沈降した水より比重の大きい重量異物Ｇ（割り箸等の木片や砂、貝殻等）は、開閉弁１９ａの開放により排出口１９から排出する。また、原料槽１０の液面に浮上する水より比重の小さい軽量異物Ｍ（発泡スチロールやビニール、プラスチック等）は、開閉弁１７ａの開放により水流で溢流堰１８に集めて引き出し路１７から残渣処理装置５２へ排出する。残渣処理装置５２に排出した異物Ｍは、例えば図６に示すように脱水装置５３で脱水したのち処分し、濾液（脱水分離液）は液受け槽５４及び返送装置（ポンプ等）５５を介して発酵槽３０又は原料槽１０へ戻すことができる。必要に応じて原料槽１０の発酵液Ｓ中に浮遊する異物Ｌを、固液分離装置２０に設けた開閉弁５６ａ付き引き出し路５６を介して残渣処理装置５２へ排出することもできる。
【００１０】
しかし、図６又は図８の発酵液循環式メタン発酵装置１で実際に可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃを処理してみると、図示例のような排出機構では原料槽１０の内部に蓄積する異物、とくに軽量異物Ｍを充分に排出できない問題が経験された。すなわち、可燃ごみ等に混入している発泡スチロール等の軽量異物Ｍは、原料槽１０内で水分が付着すると、図７（Ａ）のように水の表面張力により相互に付着して大きな塊状となり、溢流堰１８を容易に越流しないことが判明した。図７（Ａ）は実際の可燃ごみに含まれる軽量異物Ｍを集めて行った浮上実験の結果を示し、軽量異物Ｍが付着集合して見かけ比重が約０．９５ｇ／ｃｍ３の大きな塊となることを表しているが、原料槽１０を実際に開放して確認したところ、原料槽１０の内部では図７（Ｂ）のように軽量異物Ｍの塊が見かけ比重以上に水面上に突き出た（浮上した）状態で蓄積されていることも判明した。図７（Ｂ）の軽量異物Ｍの塊には本来底部に沈むべき重量異物Ｇも一部含まれており、同図のように軽量異物Ｍが見かけ比重と異なる状態で蓄積される理由は、原料槽１０で発生するバイオガスＧが軽量異物Ｍに付着して浮力を与えるからと推定される。
【００１１】
図７（Ｂ）のように塊状に蓄積した軽量異物Ｍは、図６及び図８の引き出し路１７のように液面上に浮かぶスカム（浮きかす）等を水流で排出する機構では除去することができず、原料槽１０に長期間滞留して有効容積を大幅に減少させ、メタン発酵の効率を低下させる。発酵液循環式により可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃを効率的に且つ長期間安定的にメタン発酵処理するためには、原料槽１０の密閉状態（嫌気状態）を保持しつつ、図７（Ｂ）のように原料槽１０の内部に蓄積する異物を除去できる機構が必要である。
【００１２】
そこで本発明の目的は、高効率なメタン発酵処理を長期間安定的に維持することができる発酵液循環式メタン発酵方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
図１の実施例を参照するに、本発明による発酵液循環式メタン発酵方法は、軽量異物Ｍの混入した有機性固形廃棄物Ｃを内側の所定高さに移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０とが設けられた原料槽１０に投入し、原料槽１０に発酵液Ｓを供給し且つ原料槽１０の発酵液Ｓを下方から引き抜いて上方へ戻す循環によって液面を所定高さに維持し、原料槽１０に投入された廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させつつ可溶化して発酵液Ｓと共に循環させつつバイオガスＧに分解し、原料槽１０の液面に浮かぶ軽量異物Ｍをレーキ６０の移動によりスクリューコンベア７０に集めて排出してなるものである。
【００１４】
また図１のブロック図を参照するに、本発明による発酵液循環式メタン発酵装置は、内側の所定高さに移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０とが設けられた原料槽１０、原料槽１０に軽量異物Ｍの混入した有機性固形廃棄物Ｃを投入する取入口８、原料槽１０に発酵液Ｓを供給する供給路４１、及び原料槽１０の発酵液Ｓを下方から引き抜いて上方へ戻す循環路１５、２７を備え、原料槽１０に投入された廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させつつ可溶化して発酵液Ｓと共に循環させつつバイオガスＧに分解し、原料槽１０の液面に浮かぶ軽量異物Ｍをレーキ６０の移動によりスクリューコンベア７０に集めて排出してなるものである。
【００１５】
好ましくは、図１に示すように、発酵液Ｓを貯えるメタン発酵槽３０を設け、供給路４１に発酵槽３０の発酵液Ｓを原料槽１０へ継続的に供給する供給装置４０を含め、循環路１５、２７に原料槽１０の発酵液Ｓを継続的に引き抜いて固液分離し且つ分離した濾液Ｄを発酵槽３０へ送ると共に固形分Ｅを原料槽１０へ戻す固液分離装置２０を含める。
【００１６】
望ましくは、図２に示すように、移動式レーキ６０に、水平腕部材６２とその腕部材６２にヒンジ結合された掻き取り羽６３とを含める。掻き取り羽６３の突端縁には複数の山型の凹凸を設けることができる。更に望ましくは、原料槽１０の底部に開閉弁１９ａ付き排出口１９を設け、移動式レーキ６０に原料槽１０の底面上を摺動する下部レーキ６７を含め、原料槽１０の発酵液下に沈む異物Ｇを下部レーキ６７により排出口１９に集めて開閉弁１９ａの開放により排出可能とする。
【００１７】
更に好ましくは、図２のように原料槽１０の水平断面を円形とし、移動式レーキ６０に、原料槽１０の鉛直中心軸周りに回転する中間部分が回転方向前方に折れ曲がった中折れ腕部材６２と、その腕部材６２の中折れ部より先端側の内向き部６２ａにヒンジ結合された掻き取り羽６３とを含める。また、スクリューコンベア７０を原料槽１０の半径方向に延在させると共にその原料槽内側部分を断面台形の上端取入溝７２付き異物取入部材７１で囲い、取入部材７１の断面台形の傾斜面７３でレーキ６０の掻き取り羽６３を跳ね上げ可能とする。スクリューコンベア７０には、図１に示すように、その出口端を水封する水槽７５を含めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による発酵液循環式メタン発酵方法及び装置は、軽量異物Ｍの混入した有機性固形廃棄物Ｃを投入する原料槽１０の内側の所定高さに移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０とを設け、その原料槽１０に発酵液Ｓを供給すると共に原料槽１０の発酵液Ｓを下方から引き抜いて情報へ戻す循環によって液面を所定高さに維持し、原料槽１０に投入された廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させつつ可溶化して発酵液Ｓと共に循環させつつバイオガスＧに分解し、原料槽１０の発酵液面に浮かぶ異物Ｍをレーキ６０の移動によりスクリューコンベア７０に集めて排出するので、次の有利な効果を奏する。
【００１９】
（イ）有機性固形廃棄物Ｃに混入した軽量異物Ｍは原料槽１０の内部で相互に付着して大きな塊となって液面に浮上するが、移動式レーキ６０を用いることにより、軽量異物Ｍを塊から掻き取ってスクリューコンベア７０に寄せ集めることができる。
（ロ）掻き採った軽量異物Ｍは排出過程で再び塊状に付着して閉塞の原因となりうるが、スクリューコンベア７０を用いることにより、閉塞を避けながら軽量異物Ｍを原料槽１０の外部へ送り出すことができる。
（ハ）塊状となった軽量異物Ｍは原料槽１０の内部でバイオガスＧを抱き込んで液面から高く突き出た状態となる場合もあるが、移動式レーキ６０に水平腕部材６２とヒンジ結合された上下可動式の掻き取り羽６３を含めることにより、液面上の浮上高さの異なる軽量異物を液面下の軽量異物と共に効率よく回収することができる。
【００２０】
（ニ）また、移動式レーキ６０に複数の山型の凹凸が突端縁に設けられた掻き取り羽６３を含めることにより、紐状の軽量異物Ｍを含む様々な形状の軽量異物Ｍを効率よく掻き集めることができる。
（ホ）原料槽１０の断面が円形である場合は、移動式レーキ６０に中間部分が回転方向前方に折れ曲がった回転式中折れ腕部材６２を含めることにより、液面に浮上する軽量異物Ｍを内向きに掻き寄せながら効率よく回収することができる。
（ヘ）移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０で軽量異物Ｍを原料槽１０から排出しながら有機性固形廃棄物Ｃをメタン発酵することにより、軽量異物Ｍの蓄積による原料槽１０の有効容積の減少を避け、廃棄物Ｃのメタン発酵効率を長期間安定的に維持することができる。
（ト）また、スクリューコンベア７９の出口端を水槽７５で水封することにより、原料槽１０を密閉状態に保持したまま軽量異物Ｍを外部に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
【図１】は、本発明の発酵液循環式メタン発酵装置の一実施例の説明図である。
【図２】は、図１の移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０を含む原料槽１０の水平断面図である。
【図３】は、本発明の移動式レーキ６０の他の実施例の説明図である。
【図４】は、図１の発酵液循環式メタン発酵装置による異物排出能力を確認した実験結果を示すグラフである。
【図５】は、本発明の発酵液循環式メタン発酵装置の他の実施例の説明図である。
【図６】は、従来の発酵液循環式メタン発酵装置の一例の説明図である。
【図７】は、図６のメタン発酵装置内に蓄積する軽量異物の状態を示す説明図である。
【図８】は、従来の発酵液循環式メタン発酵装置の他の一例の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の発酵液循環式メタン発酵装置１の実施例を示す。図示例のメタン発酵装置１は、有機性固形廃棄物Ｃを気密に貯える原料槽１０を備えており、その原料槽１０の内側の所定高さに移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０とが設けられている。また原料槽１０には、軽量異物Ｍの混入した有機性固形廃棄物Ｃを投入する取入口８と、発酵液Ｓを供給する供給路４１と、内部の発酵液Ｓを下方から引き抜いて上方へ戻すポンプ１６付きの循環路１５、２７とが設けられている。原料槽１０の内部に取入口８から有機性固形廃棄物Ｃを投入すると共に供給路４１から発酵液Ｓを供給し、原料槽１０内の発酵液Ｓを循環路１５、２７によって下方から抜き出して上方へ戻して循環させながら発酵液Ｓの液面を所定高さに維持し、投入された廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させながら可溶化し、可溶化した廃棄物Ｃを更に発酵液Ｓと共に循環させながらバイオガスＧに分解する。発酵液Ｓの一例は嫌気性微生物（例えば他のメタン発酵処理で馴養された種汚泥）を含有させた汚泥であるが、必要に応じて中和剤や微量栄養剤等の分解処理添加剤を加えてもよい。
【００２３】
図示例のメタン発酵装置１は、図６と同様の二槽式のものであり、発酵液Ｓを気密に貯えるメタン発酵槽３０を備え、供給路４１上に発酵槽３０の発酵液Ｓを原料槽１０へ継続的に供給する供給装置４０（例えばポンプ）を含め、循環路１５、２７上に原料槽１０内の廃棄物Ｃと混合された発酵液Ｓを継続的に引き抜いて固形分Ｅと濾液Ｄとに固液分離する固液分離装置２０を含めている。図示例の固液分離装置２０は、原料槽１０から廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓの混合液（Ｃ＋Ｓ）を引き抜く引き抜き装置１４（図示例ではポンプ１６付き引き抜き路１５）と、分離後の濾液Ｄを発酵槽３０へ送る輸送路２８と、分離後の固形分Ｅを原料槽１０へ戻す返戻路２７とを有している。原料槽１０に投入された有機性固形発酵液Ｓを原料槽１０と固液分離装置２０と発酵槽３０との間で循環する発酵液Ｓに浸漬させながら可溶化し、可溶化した廃棄物Ｃを更に発酵液Ｓと共に原料槽１０と固液分離装置２０と発酵槽３０との間で循環させながらバイオガスＧに分解する。発酵槽３０及び原料槽１０で生成されたバイオガスＧは、回収路４４を介してガスホルダ４５に回収する。
【００２４】
本発明で用いる固液分離装置２０は、とくに分離方式等に制限はなく、例えば所定粒径（例えば１０ｍｍ、好ましくは５ｍｍ）以上の固形物Ｅを濾液Ｄと分離する沈降分離方式、スクリーン（フィルタ）方式、振動振るい方式、膜分離方式、又は後述の図５に示すような分離装置２０とすることができる。また、循環させる発酵液Ｓは嫌気性微生物の活性温度（例えば２０〜６５℃、好ましくは３０〜６０℃）に保持することが望ましい。図示例では、メタン発酵槽３０に撹拌装置３１（循環ポンプ３３付き外付け循環路３２）を設けて内部の発酵液Ｓを撹拌すると共に、その循環路３２上に加温装置（熱交換器）３４を設けて発酵液Ｓを所要温度に加温している。例えば、ガスホルダ４５のバイオガスＧを燃料とする温水ボイラ４７（図６参照）を設け、その温水ボイラ４７の温水を供給路４８経由で加温装置３４へ供給することができる。必要に応じて図５に示すように、原料槽１０にも撹拌装置１１（例えば循環ポンプ１３付き外付け循環路１２）を設けることができる。
【００２５】
以下、図１を参照して原料槽１０に設けた移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０の作用について説明するが、本発明の適用対象は二槽式の発酵液循環式メタン発酵処理に限定されるものではなく、例えば図８のように一槽式のメタン発酵処理に本発明を適用することも可能である。すなわち、例えば図１の原料槽１０に図８のような有孔隔壁２１を含めることで一槽式の発酵液循環式メタン発酵装置１に転用することが可能であるが、そのような一槽式の原料槽１０とした場合でも、以下に説明する移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０を設けて有効容積の減少を防止することにより、一槽式の発酵液循環式メタン発酵処理を長期間安定的に維持することが可能である。
【００２６】
図示例の原料槽１０には、周辺地域から排出される有機性固形廃棄物Ｃを含む可燃ごみを清掃センター等に集めて処理する場合を想定し、包装（ビニール袋等）を破砕して廃棄物Ｃを適当な大きさに粗粉砕する破砕装置２と、所定粒径（例えば５０ｍｍ）以下の廃棄物Ｃを選別（ふるい分け）するトロンメル等の選別装置３とを設けている。選別装置３で選別された廃棄物Ｃを原料ホッパ７に一時貯留し、取入口８を介して原料槽１０に一定量ずつ連続的に投入する。図６を参照して上述したように発酵液循環式のメタン発酵処理は、難分解性有機物と易分解有機物とを含む廃棄物Ｃを各有機物の分解速度に応じて処理時間を切り分けながらメタン発酵することができ、分解速度の異なる様々な固形有機物を含む可燃ごみ等の廃棄物Ｃを分別せずに連続的に処理する場合に適している。ただし、本発明の処理対象の有機性固形廃棄物Ｃは可燃ごみ等に限定されるわけではない。
【００２７】
原料槽１０の取入口８は、スクリューコンベアにより原料ホッパ７の廃棄物Ｃを原料槽１０内の発酵液Ｓの液面下に押し込む構造となっており、原料槽１０内のバイオガスＧの逆流（流出）を発酵液Ｓの水封により抑制している。ただし、原料槽１０の密閉状態（嫌気状態）を破壊せずに廃棄物Ｃを投入できれば、投入方法は図示例に限定されない。有機性固形廃棄物Ｃ中に混入している大粒径の異物Ｋは選別装置３により一部除去されるが、選別できなかった異物Ｋ（軽量異物Ｍと重量異物Ｇとを含む）は廃棄物Ｃと共に原料槽１０へ投入される。上述したように発酵液循環式のメタン発酵処理では、原料槽１０に投入された軽量異物Ｍは可溶化前の廃棄物Ｃと共に原料槽１０に留まって滞留し、図７のように大きな塊状となって原料槽１０の液面に蓄積する。原料槽１０の液面位置に設けた移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０は、図７のような塊状に蓄積した液面上の軽量異物Ｍを原料槽１０の外部へ排出するためのものである。
【００２８】
例えば可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃ中に混入している軽量異物Ｍは、水を含んでも膨潤しない発泡スチロール、ビニール、プラスチック等が主体である。このような軽量異物Ｍを発酵液Ｓと共に固形分の移送可能なポンプ（モーノポンプ等）で排出することも考えられるが、本発明者の実験によれば、含水率の低い発泡スチロール等を含む液体をモーノポンプ等で連続的に排出すると閉塞が頻発する可能性がある。スクリューコンベア７０は、含水率の低い軽量異物Ｍを閉塞させずに連続的に排出する場合に適している。また、原料槽１０の嫌気状態に維持するためには排出路の出口端を水封することが望ましいが、ポンプの水流で押し流す機構の排出路では水封部で軽量異物Ｍを押し出せず、軽量異物Ｍが排出路内に滞留するおそれがある。スクリューコンベア式の排出路によれば、スクリューの押圧によって軽量異物Ｍを水封部（図示例では水槽７５の液面下）に押し出すことができる。図示例は３段のスクリューコンベア７０を組み合わせ、外側３段目のコンベアの出口端を水槽７５に挿入して軽量異物Ｍを押し込む構造とすることにより、原料槽１０を水封する仕組みとなっている。
【００２９】
移動式レーキ６０は、図７のように塊状となった液面上の軽量異物Ｍを掻き取ってスクリューコンベア７０に寄せ集めるものである。本発明者の実験によれば、塊状の軽量異物Ｍにスクリューコンベア７０を挿入しただけでは、挿入位置の軽量異物Ｍを排出することは可能であるが、水の表面張力により相互に付着して壁のような状態となった挿入位置周囲の軽量異物Ｍを排出することは困難である。原料槽１０の液面に沿って移動するレーキ６０により、塊状の軽量異物Ｍを掻き取ってスクリューコンベア７０に寄せ集めることで、液面全体に浮上している塊状の軽量異物Ｍを外部へ排出することができる。
【００３０】
図示例の移動式レーキ６０は、円筒状の原料槽１０の鉛直中心に沿って配置した回転軸６１と、回転軸６１の液面高さに設けた水平腕部材６２と、その腕部材６２に沿って結合した掻き取り羽６３とを有する。また、スクリューコンベア７０を原料槽１０の半径方向に延在させ、回転軸６１の周りの掻き取り羽６３の回転によって液面に浮上している塊状の軽量異物Ｍを少しずつ掻き取ってスクリューコンベア７０に投入している。ただし、移動式レーキ６０の回転は本発明に必須の条件ではなく、例えば原料槽１０が方形槽である場合は、その方形断面の一辺に沿ってスクリューコンベア７０を延在させ、それと直角方向に移動式レーキ６０（水平腕部材６２及び掻き取り羽６３）を移動させて液面に浮上する塊状の軽量異物Ｍをスクリューコンベア７０に寄せ集めることも可能である。
【００３１】
好ましくは、図２に示すように移動式レーキ６０の掻き取り羽６３を、ヒンジ６４により上下動可能に水平腕部材６２へ結合する。図７（Ｂ）を参照して説明したように、塊状の軽量異物Ｍは原料槽１０の内部でバイオガスＧを抱き込んで液面から高く突き出た状態となりうるので、掻き取り羽６３を腕部材６２に固定すると、軽量異物Ｍの浮力によって掻き取り羽６３が上方に跳ね上げられて腕部材６２に過重な負荷がかかるおそれがある。掻き取り羽６３を上下可動式とすることで、液面上に異なる高さで浮上する軽量異物Ｍを、水面下にある軽量異物Ｍと共に効率よく回収することができる。また、上下可動式の掻き取り羽６３にウェイト６５の載置部を設けることで、掻き取り羽６３の掻き取り力をウェイト６５により調整することも可能である。
【００３２】
更に好ましくは、図２に示すように、移動式レーキ６０に中間部分が回転方向前方に折れ曲がった中折れ腕部材６２を含め、その腕部材６２の中折れ部より先端側の内向き部６２ａに掻き取り羽６３をヒンジ結合する。本発明者の実験によれば、原料槽１０の鉛直中心軸の周りに掻き取り羽６３を回転させた場合、回転の遠心力により液面上の軽量異物Ｍが外側に押し出され、掻き取り羽６３の外側の負荷が大きくなる現象が観察された。中折れ腕部材６２によって掻き取り羽６３を内向きとし、軽量異物Ｍを内向きに掻き寄せることにより、掻き取り羽６３の負荷を均等にして効率的な回収が可能となる。
【００３３】
掻き取り羽６３は、図３（Ａ）に示すような突端縁が平坦なフラット羽６３ｂ又は突端縁に複数の櫛型凹凸を設けた櫛型羽６３ｃとすることも可能であるが、図２に示すように突端縁に複数の山型凹凸を設けた山型羽６３ａとすることが望ましい。フラット羽６３ｂは、回転負荷が低く、発砲スチロール等の軽量異物Ｍを効率よく掻き集めることができるが、ビニールや紐状の軽量異物Ｍを効率よく掻き集めるには適していない。櫛型羽６３ｃは、回転負荷が比較的高いものの、ビニールや紐状の軽量異物Ｍも効率よく掻き集めることができる。ただし、長期間使用すると軽量異物Ｍが櫛型凹凸に絡みついた状態となりやすい。山型羽６３ａは、回転負荷が比較的小さく、様々な形状の発砲スチロール、ビニール、紐状の軽量異物Ｍを長期間効率よく掻き集めることに適している。必要に応じて、移動式レーキ６０に種類の異なる複数の掻き取り羽６３を含めてもよい。
【００３４】
更に望ましくは、図２に示すように、原料槽１０の半径方向に延在させたスクリューコンベア７０の原料槽内側部分を断面台形の上端取入溝７２付き異物取入部材７１で囲い、取入部材７１の断面台形の傾斜面７３で移動式レーキ６０の掻き取り羽６３を跳ね上げ可能とする。図示例では、上端にトラフ状の取入溝７２が穿たれた断面台形の異物取入部材７１を原料槽１０の内面から半径方向へ突出させて設け、その取入溝７２と連通する貫通孔を原料槽１０の周壁に穿ち、その貫通孔を通してスクリューコンベア７０を取入部材７１の取入溝７２の内側に配置している。また、取入部材７１の取入溝７２を原料槽１０の液面より高い位置に設け、図２（Ｂ）の矢印に示すように断面台形の傾斜面７３により掻き取り羽６３を跳ね上げ、いわば傾斜面７３を「ならい面」とする掻き取り羽６３の変形又は回転によって液面の軽量異物Ｍを取入溝７２に落とし込む。このように取入溝７２の上方で掻き取り羽６３を跳ね上げる構造とすることにより、液面の軽量異物Ｍを取入溝７２に確実に落とし込むことが期待できる。
【００３５】
上述した移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０によって原料槽１０の液面に浮上した軽量異物Ｍを排出することにより、原料槽１０の有効容積の減少を防止し、異物の混入した有機性固形廃棄物Ｃを発酵液循環式により長期間安定的にメタン発酵処理することができる。移動式レーキ６０は、適当な速度で常時駆動してもよいが、軽量異物Ｍが蓄積する所定時間間隔で又は適宜に駆動することも可能である。原料槽１０から排出された軽量異物Ｍは、例えばスクリューコンベア７０の出口端に接続した水槽７５の水面上に浮上するので、水槽７５から回収して処分することができる。
【００３６】
こうして本発明の目的である「高効率なメタン発酵処理を長期間安定的に維持することができる発酵液循環式メタン発酵方法及び装置」の提供を達成することができる。
【００３７】
なお、図示例の原料槽１０の回転軸６１には、移動式レーキ６０だけでなく、原料槽１０の発酵液Ｓ中に滞留している軽量異物Ｍをほぐすための撹拌棒６６と、原料槽１０の底面上を摺動する下部レーキ６７とが設けられている。図７のように大きな塊状となる前に軽量異物Ｍを撹拌棒６６によってほぐすことにより、移動式レーキ６０による液面からの軽量異物Ｍの回収の容易化を図ることができる。また、図６の従来方法では底部に沈降した重量異物Ｇの排出が不完全となって蓄積が生じうるが、例えば図３（Ｂ）に示すように、下部レーキ６７に原料槽１０の底面沿いに張出した腕部材６８とその腕部材６８に回転方向へ傾斜させて取り付けた掻き取り部材６９とを含め、原料槽１０の底部に沈降した重量異物Ｇを底部中央の排出口１９へ集めて排出の効率化を図ることにより、重量異物Ｍの蓄積による原料槽１０の有効容積の減少を確実に防止することができる。下部レーキ６７の形状は図示例に限定されず、原料槽１０が方形槽である場合は、その方形断面の一辺に沿って下部レーキ６７を移動させて底部に沈降した重量異物Ｇを排出口１９へ寄せ集めることも可能である。
【実施例１】
【００３８】
図５は、本発明による発酵液循環式メタン発酵装置１の他の実施例を示す。図示例の原料槽１は所定高さに肉厚周壁７８とした縮径部７７を設け、上述した移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０を縮径部７７の内側に配置し、その縮径部７７の肉厚周壁７８を鉛直方向に貫通する取入口８を設けている。例えば原料ホッパ７に貯留された有機性固形廃棄物Ｃを、取入口８に設けたスクリューコンベアにより原料槽１０内の発酵液Ｓの液面下に一定量ずつ連続的に押し込ながら投入する。移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０は、図１を参照して上述した構造と同様のものである。
【００３９】
また、図５の固液分離装置２０は、有孔隔壁（例えばスクリーン付き隔壁）２１により仕切られた導入室２２及び分離室２３と、その隔壁２１の導入室２２側表面に対向して旋回する回転翼２４とを有する。原料槽１０の混合液（Ｃ＋Ｓ）が引き抜き路１５を介して導入室２２に導入され、隔壁２１のスクリーンによって固液分離されるが、隔壁２１の導入室側表面に微小間隙を介して回転翼２４を旋回させることにより、導入した混合液（Ｃ＋Ｓ）をほぐすと共に隔壁２１のスクリーンの目詰まりを防止することができる。また、図５の固液分離装置２０の導入室２２は、開閉弁５６ａ付き引き出し路５６を介して残渣処理装置５２に接続され、必要に応じて原料槽１０の発酵液Ｓ中に浮遊している異物Ｌを残渣処理装置５２で除去することができる。固液分離装置２０によって発酵液Ｓを循環させる方法及び残渣処理装置５２による異物の除去方法は、上述した図１及び図６と同様である。
【００４０】
本発明者は、図５に示す発酵液循環式メタン発酵装置１を試作し、有機性固形廃棄物Ｃとして１トン／日の可燃ごみをメタン発酵処理した場合に、原料槽１０に蓄積される異物量を確認する実験を行った。可燃ごみは、破砕装置２で破袋すると共に内容物を１５０ｍｍ以下の粒径に破砕し、選別装置（トロンメル等）３により粒径５０ｍｍ以上の異物Ｋを分離し、粒径５０ｍｍ以下の廃棄物Ｃを選別して原料槽１０に投入した。選別された廃棄物Ｃの組成を確認したところ、バイオガス化に適した固形有機物（生ごみ及び紙ごみ）Ｃが約７５％、バイオガス化に不適な異物（軽量異物Ｍ及び重量異物Ｇ）が約２５％であった。原料槽１０への廃棄物Ｃの投入量を継続的に計測しながら、原料槽１０のスクリューコンベア７０及び排出口１９から排出される軽量異物Ｍ及び重量異物Ｇの排出量を継続的に計測し、それらの計測量から選別廃棄物Ｃの組成に基づいて原料槽１０内に残る異物Ｍ、Ｇ（メタン発酵の未分解の有機物も含む）の蓄積量を推定した。
【００４１】
図４に、原料槽１０の異物蓄積量の推定結果の推移を示す。同図から分かるように、廃棄物Ｃの投入積算量の増加に応じて、原料槽１０の異物Ｍ、Ｇの推定蓄積量（槽内量）も徐々に増加したが、異物Ｍ、Ｇの推定蓄積量は９００〜１０００ｋｇになるとほぼ一定となり、更に投入積算量が増加してもそれ以上に蓄積量は増加しないと推定された。実験完了後に原料槽１０を開放して蓄積した異物Ｍ、Ｇの量を確認したところ、乾重量で９２２ｋｇの異物が蓄積していた。このことから、図４の異物蓄積量の推定結果は妥当であると判断できた。また、原料槽１０から排出される軽量異物Ｍ及び重量異物Ｇ中に固形有機物（生ごみ及び紙ごみ）Ｃは殆ど見られず、固形有機物Ｃのバイオガス化率を約９０％で維持されていることが確認された。この実験結果から、移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０を用いた本発明の異物排出機構が、原料槽１０のメタン発酵効率（嫌気状態）に悪影響を与えることなく異物の蓄積量を抑制し、発酵液循環式による有機性固形廃棄物Ｃの高効率なメタン発酵処理を長期間安定的に維持するために有効であることが確認できた。
【符号の説明】
【００４２】
１…発酵液循環式メタン発酵装置 ２…破砕装置
３…選別装置 ７…原料ホッパ
８…（スクリューコンベア付き）取入口
１０…原料槽 １１…撹拌装置
１２…外付け循環路 １３…循環ポンプ
１４…引き抜き装置 １５…引き抜き路
１６…引き抜きポンプ １７…引き出し路
１８…溢流堰 １９…排出口
２０…固液分離装置 ２１…有孔隔壁（スクリーン付き隔壁）
２２…導入室 ２３…分離室
２４…回転翼 ２５…駆動装置
２６…回転軸 ２７…返戻路
２８…輸送路 ２９…流量計
３０…メタン発酵槽 ３１…撹拌装置
３２…外付け循環路 ３３…循環ポンプ
３４…加温装置（熱交換器） ３５…廃液路
３５ａ…溢流口
４０…供給装置 ４１…供給路
４２…供給ポンプ ４４…ガス回収路
４５…ガスホルダ ４６…脱硫装置
４７…温水ボイラ ４８…温水供給路
５０…制御装置
５２…残渣除去装置 ５３…脱水装置
５４…濾液受け槽 ５５…返送装置（返送ポンプ）
５６…引き出し路 ５７…返送路
６０…移動式レーキ（回転レーキ） ６１…回転軸
６２…（中折れ）水平腕部材 ６２ａ…内向き部
６３…掻き取り羽 ６３ａ…山型羽
６３ｂ…フラット羽 ６３ｃ…櫛型羽
６４…ヒンジ ６５…ウェイト
６６…撹拌棒 ６７…下部レーキ
６８…張出し腕部材 ６９…掻き取り部材
７０…スクリューコンベア ７１…異物取入部材
７２…取入溝 ７３…傾斜面（ならい面）
７５…水槽 ７６…コンテナ
７７…縮径部 ７８…肉厚周壁
Ｃ…有機性固形廃棄物 Ｄ…濾液
Ｅ…固形分 Ｆ…分離液
Ｇ…重量異物 Ｈ…温熱媒体
Ｋ…選別異物 Ｌ…浮遊異物
Ｍ…軽量異物 Ｎ…廃液
Ｓ…発酵液
Ｇ…バイオガス（分解生成ガス）
【技術分野】
【０００１】
本発明は発酵液循環式メタン発酵方法及び装置に関し、とくに有機性固形廃棄物を原料槽に貯えて発酵液を循環させながらメタン発酵処理する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
資源循環型社会を実現するため、生ごみや紙ごみ等の有機性固形廃棄物を嫌気性微生物によりエネルギー源として利用可能なバイオガス（約６０％のメタンガス、約４０％の二酸化炭素ガス、少量の硫化水素等を含む）に変換するメタン発酵処理の実用化が進められている。従来のメタン発酵処理の一例は、例えば特許文献１が開示するように、有機性固形廃棄物を混入異物と分別したうえでスラリー状に微粉砕し、メタン発酵槽（嫌気性発酵槽）内で嫌気性微生物と接触させてメタン発酵させる湿式法である。しかし、湿式メタン発酵法はスラリー化に手間がかかると共に、スラリー化のために廃棄物に対して少なくとも１〜２倍程度の希釈水を加える必要があるため発酵処理後に生じる発酵廃液の量が増え、廃水処理負担が増える問題点がある。
【０００３】
これに対し本発明者らは、特許文献２〜４に開示するように、有機性固形廃棄物を無加水でスラリー化せずに処理できる発酵液循環式メタン発酵法を開発した。図６は、特許文献４の開示するメタン発酵装置１の一例を示す。図示例のメタン発酵装置１は、有機性固形廃棄物Ｃを気密に貯える原料槽１０と、廃棄物Ｃを分解する嫌気性微生物が含まれる767A酵液（消化液）Ｓを気密に貯えるメタン発酵槽３０と、発酵槽３０の発酵液Ｓを原料槽１０へ継続的に供給する供給装置４０と、原料槽１０の発酵液Ｓを継続的に引き抜いて固形分Ｅと濾液Ｄとに分離し且つ分離した濾液Ｄを発酵槽３０へ送ると共に固形分Ｅを原料槽１０へ戻す固液分離装置２０とを有し、原料槽１０と発酵槽３０との間で発酵液Ｓを循環させながら廃棄物Ｃをメタン発酵させるものである。原料槽１０及び発酵槽３０はそれぞれ廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓを気密に貯えることができる嫌気槽であり、ガス回収路４４によって気相部が相互に連通されている。
【０００４】
原料槽１０の取入口８には、例えば一般家庭やレストラン、食品工場等から排出されるいわゆる可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃを、破砕装置２で適当な大きさに粗粉砕したうえで一定量ずつ連続的に投入する。その原料槽１０に発酵槽３０から発酵液Ｓを供給し、廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させる。原料槽１０の廃棄物Ｃは発酵液Ｓに浸漬・混合されながら嫌気性微生物により徐々に可溶化するが、その廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓの混合液（Ｃ＋Ｓ）を引き抜き装置１４により原料槽１０から引き抜き、固液分離装置２０に導入して固形分Ｅと濾液Ｄとに分離する。原料槽１０において十分に可溶化されて小粒径となった廃棄物Ｃは、発酵液Ｓと共に分離装置２０から濾液Ｄとして輸送路２８を介して発酵槽３０に送られ、発酵槽３０と原料槽１０との間を循環しながら嫌気性微生物により更にバイオガスＧに分解される。他方、原料槽１０において未だ十分に可溶化されていない大粒径の廃棄物Ｃは、固形分Ｅとして分離装置２０から返戻路２７を介して原料槽１０に戻され、原料槽１０において更に可溶化されて小粒径となったのち固液分離装置２０へ再導入される。
【０００５】
図６に示す発酵液循環式メタン発酵法は、有機性固形廃棄物Ｃを先ず原料槽１０で発酵液Ｓに浸漬させながら可溶化し、可溶化した廃棄物Ｃのみを発酵液Ｓと共に発酵槽３０に循環させてバイオガスＧに分解する方法であり、廃棄物Ｃ中の微生物分解速度の比較的早い易分解性有機物（例えば生ごみ等）と比較的遅い難分解性有機物（例えば紙ごみ等）とで原料槽１０に留まる滞留時間を切り分け、両者を含む廃棄物Ｃ全体をスラリー化せずに高効率でメタン発酵処理することができる。また、廃棄物Ｃを無加水で処理するので、発酵槽３０から適宜引き出す発酵廃液Ｎの量も小さく抑えることができる。原料槽１０において固形廃棄物Ｃの分解反応（酸発酵）により有機酸を生じるが、発酵液Ｓの循環により有機酸の蓄積による原料槽１０のｐＨ低下（酸敗）を防ぐことができ、原料槽１０において固形廃棄物Ｃの効率的な可溶化を促進すると共に、原料槽１０においても供給される発酵液Ｓ中のメタン生成菌等が酸発酵の生成物を分解してバイオガスＧを生成することができる。
【０００６】
なお、発酵液循環式メタン発酵装置１は、図６のように原料槽１０と発酵槽３０とを用いた二槽式に限らず、例えば図８のように原料槽１０のみを用いた一槽式とすることも可能である（非特許文献３参照）。図８の原料槽１０は、内部を上下に仕切る有孔隔壁２１と、その隔壁上方に設けた有機性固形廃棄物Ｃの取入口８と、原料槽１０内に発酵液Ｓを供給する供給路４１と、原料槽１０内の発酵液Ｓを隔壁下方から引き抜いて隔壁上方へ戻して循環させるポンプ１６付きの循環路１５、２７とを有する。例えば可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃを原料槽１０の隔壁上方に投入すると共に発酵液Ｓを供給し、廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬しながら可溶化し、可溶化した廃棄物Ｃを発酵液Ｓと共に循環路１５、２７に循環させてメタン発酵する。図８のような一槽式の発酵液循環式メタン発酵装置も、可溶化前の廃棄物Ｃを有孔隔壁２１の固液分離作用によって原料槽１０内に留め、可溶化した廃棄物Ｃのみを発酵液Ｓと共に循環させてバイオガスＧに分解するので、易分解性有機物と難分解性有機物との両者を含む廃棄物Ｃ全体を高効率でメタン発酵処理することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３０６４２７２号公報
【特許文献２】特開２００７−０４４５８８号公報
【特許文献３】特開２００７−２１６１３５号公報
【特許文献４】特開２０１０−１４２７３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図６及び図８に示す従来の発酵液循環式メタン発酵装置１では、原料槽１０の取入口８に選別装置３を設け、可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃ中に含まれるメタン発酵に不適な異物Ｋ（発泡スチロールや木片等）を選別分離し、バイオガス化に適した有機性固形有機物Ｃを原料槽１０に投入している。ただし、選別装置３で異物Ｋを完全に選別することは困難であり、選別できなかった異物Ｋが原料槽１０に徐々に蓄積する。発酵液循環式メタン発酵装置１を安定的に維持するためには原料槽１０内に蓄積した異物Ｋを適宜排出・除去しなければならないが、原料槽１０を開放すると空気（酸素）が流入して嫌気性微生物の失活（発酵効率の低下）を招き、爆発しうるメタンや有害な硫化水素を含むバイオガスＧが周囲に拡散するおそれもあるので、原料槽１０を密閉したまま内部の異物Ｋを外部へ排出する機構が必要である。
【０００９】
図６及び図８の原料槽１０は、内部を密閉状態（嫌気状態）に保持しつつ異物を排出するため、内部空間の底部（図８では隔壁上方空間の底部）に開閉弁１９ａ付き排出口１９を設け、空間上方の液面位に開閉弁１７ａ付き引き出し路１７を設けている。底部に沈降した水より比重の大きい重量異物Ｇ（割り箸等の木片や砂、貝殻等）は、開閉弁１９ａの開放により排出口１９から排出する。また、原料槽１０の液面に浮上する水より比重の小さい軽量異物Ｍ（発泡スチロールやビニール、プラスチック等）は、開閉弁１７ａの開放により水流で溢流堰１８に集めて引き出し路１７から残渣処理装置５２へ排出する。残渣処理装置５２に排出した異物Ｍは、例えば図６に示すように脱水装置５３で脱水したのち処分し、濾液（脱水分離液）は液受け槽５４及び返送装置（ポンプ等）５５を介して発酵槽３０又は原料槽１０へ戻すことができる。必要に応じて原料槽１０の発酵液Ｓ中に浮遊する異物Ｌを、固液分離装置２０に設けた開閉弁５６ａ付き引き出し路５６を介して残渣処理装置５２へ排出することもできる。
【００１０】
しかし、図６又は図８の発酵液循環式メタン発酵装置１で実際に可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃを処理してみると、図示例のような排出機構では原料槽１０の内部に蓄積する異物、とくに軽量異物Ｍを充分に排出できない問題が経験された。すなわち、可燃ごみ等に混入している発泡スチロール等の軽量異物Ｍは、原料槽１０内で水分が付着すると、図７（Ａ）のように水の表面張力により相互に付着して大きな塊状となり、溢流堰１８を容易に越流しないことが判明した。図７（Ａ）は実際の可燃ごみに含まれる軽量異物Ｍを集めて行った浮上実験の結果を示し、軽量異物Ｍが付着集合して見かけ比重が約０．９５ｇ／ｃｍ３の大きな塊となることを表しているが、原料槽１０を実際に開放して確認したところ、原料槽１０の内部では図７（Ｂ）のように軽量異物Ｍの塊が見かけ比重以上に水面上に突き出た（浮上した）状態で蓄積されていることも判明した。図７（Ｂ）の軽量異物Ｍの塊には本来底部に沈むべき重量異物Ｇも一部含まれており、同図のように軽量異物Ｍが見かけ比重と異なる状態で蓄積される理由は、原料槽１０で発生するバイオガスＧが軽量異物Ｍに付着して浮力を与えるからと推定される。
【００１１】
図７（Ｂ）のように塊状に蓄積した軽量異物Ｍは、図６及び図８の引き出し路１７のように液面上に浮かぶスカム（浮きかす）等を水流で排出する機構では除去することができず、原料槽１０に長期間滞留して有効容積を大幅に減少させ、メタン発酵の効率を低下させる。発酵液循環式により可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃを効率的に且つ長期間安定的にメタン発酵処理するためには、原料槽１０の密閉状態（嫌気状態）を保持しつつ、図７（Ｂ）のように原料槽１０の内部に蓄積する異物を除去できる機構が必要である。
【００１２】
そこで本発明の目的は、高効率なメタン発酵処理を長期間安定的に維持することができる発酵液循環式メタン発酵方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
図１の実施例を参照するに、本発明による発酵液循環式メタン発酵方法は、軽量異物Ｍの混入した有機性固形廃棄物Ｃを内側の所定高さに移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０とが設けられた原料槽１０に投入し、原料槽１０に発酵液Ｓを供給し且つ原料槽１０の発酵液Ｓを下方から引き抜いて上方へ戻す循環によって液面を所定高さに維持し、原料槽１０に投入された廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させつつ可溶化して発酵液Ｓと共に循環させつつバイオガスＧに分解し、原料槽１０の液面に浮かぶ軽量異物Ｍをレーキ６０の移動によりスクリューコンベア７０に集めて排出してなるものである。
【００１４】
また図１のブロック図を参照するに、本発明による発酵液循環式メタン発酵装置は、内側の所定高さに移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０とが設けられた原料槽１０、原料槽１０に軽量異物Ｍの混入した有機性固形廃棄物Ｃを投入する取入口８、原料槽１０に発酵液Ｓを供給する供給路４１、及び原料槽１０の発酵液Ｓを下方から引き抜いて上方へ戻す循環路１５、２７を備え、原料槽１０に投入された廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させつつ可溶化して発酵液Ｓと共に循環させつつバイオガスＧに分解し、原料槽１０の液面に浮かぶ軽量異物Ｍをレーキ６０の移動によりスクリューコンベア７０に集めて排出してなるものである。
【００１５】
好ましくは、図１に示すように、発酵液Ｓを貯えるメタン発酵槽３０を設け、供給路４１に発酵槽３０の発酵液Ｓを原料槽１０へ継続的に供給する供給装置４０を含め、循環路１５、２７に原料槽１０の発酵液Ｓを継続的に引き抜いて固液分離し且つ分離した濾液Ｄを発酵槽３０へ送ると共に固形分Ｅを原料槽１０へ戻す固液分離装置２０を含める。
【００１６】
望ましくは、図２に示すように、移動式レーキ６０に、水平腕部材６２とその腕部材６２にヒンジ結合された掻き取り羽６３とを含める。掻き取り羽６３の突端縁には複数の山型の凹凸を設けることができる。更に望ましくは、原料槽１０の底部に開閉弁１９ａ付き排出口１９を設け、移動式レーキ６０に原料槽１０の底面上を摺動する下部レーキ６７を含め、原料槽１０の発酵液下に沈む異物Ｇを下部レーキ６７により排出口１９に集めて開閉弁１９ａの開放により排出可能とする。
【００１７】
更に好ましくは、図２のように原料槽１０の水平断面を円形とし、移動式レーキ６０に、原料槽１０の鉛直中心軸周りに回転する中間部分が回転方向前方に折れ曲がった中折れ腕部材６２と、その腕部材６２の中折れ部より先端側の内向き部６２ａにヒンジ結合された掻き取り羽６３とを含める。また、スクリューコンベア７０を原料槽１０の半径方向に延在させると共にその原料槽内側部分を断面台形の上端取入溝７２付き異物取入部材７１で囲い、取入部材７１の断面台形の傾斜面７３でレーキ６０の掻き取り羽６３を跳ね上げ可能とする。スクリューコンベア７０には、図１に示すように、その出口端を水封する水槽７５を含めることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による発酵液循環式メタン発酵方法及び装置は、軽量異物Ｍの混入した有機性固形廃棄物Ｃを投入する原料槽１０の内側の所定高さに移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０とを設け、その原料槽１０に発酵液Ｓを供給すると共に原料槽１０の発酵液Ｓを下方から引き抜いて情報へ戻す循環によって液面を所定高さに維持し、原料槽１０に投入された廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させつつ可溶化して発酵液Ｓと共に循環させつつバイオガスＧに分解し、原料槽１０の発酵液面に浮かぶ異物Ｍをレーキ６０の移動によりスクリューコンベア７０に集めて排出するので、次の有利な効果を奏する。
【００１９】
（イ）有機性固形廃棄物Ｃに混入した軽量異物Ｍは原料槽１０の内部で相互に付着して大きな塊となって液面に浮上するが、移動式レーキ６０を用いることにより、軽量異物Ｍを塊から掻き取ってスクリューコンベア７０に寄せ集めることができる。
（ロ）掻き採った軽量異物Ｍは排出過程で再び塊状に付着して閉塞の原因となりうるが、スクリューコンベア７０を用いることにより、閉塞を避けながら軽量異物Ｍを原料槽１０の外部へ送り出すことができる。
（ハ）塊状となった軽量異物Ｍは原料槽１０の内部でバイオガスＧを抱き込んで液面から高く突き出た状態となる場合もあるが、移動式レーキ６０に水平腕部材６２とヒンジ結合された上下可動式の掻き取り羽６３を含めることにより、液面上の浮上高さの異なる軽量異物を液面下の軽量異物と共に効率よく回収することができる。
【００２０】
（ニ）また、移動式レーキ６０に複数の山型の凹凸が突端縁に設けられた掻き取り羽６３を含めることにより、紐状の軽量異物Ｍを含む様々な形状の軽量異物Ｍを効率よく掻き集めることができる。
（ホ）原料槽１０の断面が円形である場合は、移動式レーキ６０に中間部分が回転方向前方に折れ曲がった回転式中折れ腕部材６２を含めることにより、液面に浮上する軽量異物Ｍを内向きに掻き寄せながら効率よく回収することができる。
（ヘ）移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０で軽量異物Ｍを原料槽１０から排出しながら有機性固形廃棄物Ｃをメタン発酵することにより、軽量異物Ｍの蓄積による原料槽１０の有効容積の減少を避け、廃棄物Ｃのメタン発酵効率を長期間安定的に維持することができる。
（ト）また、スクリューコンベア７９の出口端を水槽７５で水封することにより、原料槽１０を密閉状態に保持したまま軽量異物Ｍを外部に排出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態及び実施例を説明する。
【図１】は、本発明の発酵液循環式メタン発酵装置の一実施例の説明図である。
【図２】は、図１の移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０を含む原料槽１０の水平断面図である。
【図３】は、本発明の移動式レーキ６０の他の実施例の説明図である。
【図４】は、図１の発酵液循環式メタン発酵装置による異物排出能力を確認した実験結果を示すグラフである。
【図５】は、本発明の発酵液循環式メタン発酵装置の他の実施例の説明図である。
【図６】は、従来の発酵液循環式メタン発酵装置の一例の説明図である。
【図７】は、図６のメタン発酵装置内に蓄積する軽量異物の状態を示す説明図である。
【図８】は、従来の発酵液循環式メタン発酵装置の他の一例の説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１は、本発明の発酵液循環式メタン発酵装置１の実施例を示す。図示例のメタン発酵装置１は、有機性固形廃棄物Ｃを気密に貯える原料槽１０を備えており、その原料槽１０の内側の所定高さに移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０とが設けられている。また原料槽１０には、軽量異物Ｍの混入した有機性固形廃棄物Ｃを投入する取入口８と、発酵液Ｓを供給する供給路４１と、内部の発酵液Ｓを下方から引き抜いて上方へ戻すポンプ１６付きの循環路１５、２７とが設けられている。原料槽１０の内部に取入口８から有機性固形廃棄物Ｃを投入すると共に供給路４１から発酵液Ｓを供給し、原料槽１０内の発酵液Ｓを循環路１５、２７によって下方から抜き出して上方へ戻して循環させながら発酵液Ｓの液面を所定高さに維持し、投入された廃棄物Ｃを発酵液Ｓに浸漬させながら可溶化し、可溶化した廃棄物Ｃを更に発酵液Ｓと共に循環させながらバイオガスＧに分解する。発酵液Ｓの一例は嫌気性微生物（例えば他のメタン発酵処理で馴養された種汚泥）を含有させた汚泥であるが、必要に応じて中和剤や微量栄養剤等の分解処理添加剤を加えてもよい。
【００２３】
図示例のメタン発酵装置１は、図６と同様の二槽式のものであり、発酵液Ｓを気密に貯えるメタン発酵槽３０を備え、供給路４１上に発酵槽３０の発酵液Ｓを原料槽１０へ継続的に供給する供給装置４０（例えばポンプ）を含め、循環路１５、２７上に原料槽１０内の廃棄物Ｃと混合された発酵液Ｓを継続的に引き抜いて固形分Ｅと濾液Ｄとに固液分離する固液分離装置２０を含めている。図示例の固液分離装置２０は、原料槽１０から廃棄物Ｃ及び発酵液Ｓの混合液（Ｃ＋Ｓ）を引き抜く引き抜き装置１４（図示例ではポンプ１６付き引き抜き路１５）と、分離後の濾液Ｄを発酵槽３０へ送る輸送路２８と、分離後の固形分Ｅを原料槽１０へ戻す返戻路２７とを有している。原料槽１０に投入された有機性固形発酵液Ｓを原料槽１０と固液分離装置２０と発酵槽３０との間で循環する発酵液Ｓに浸漬させながら可溶化し、可溶化した廃棄物Ｃを更に発酵液Ｓと共に原料槽１０と固液分離装置２０と発酵槽３０との間で循環させながらバイオガスＧに分解する。発酵槽３０及び原料槽１０で生成されたバイオガスＧは、回収路４４を介してガスホルダ４５に回収する。
【００２４】
本発明で用いる固液分離装置２０は、とくに分離方式等に制限はなく、例えば所定粒径（例えば１０ｍｍ、好ましくは５ｍｍ）以上の固形物Ｅを濾液Ｄと分離する沈降分離方式、スクリーン（フィルタ）方式、振動振るい方式、膜分離方式、又は後述の図５に示すような分離装置２０とすることができる。また、循環させる発酵液Ｓは嫌気性微生物の活性温度（例えば２０〜６５℃、好ましくは３０〜６０℃）に保持することが望ましい。図示例では、メタン発酵槽３０に撹拌装置３１（循環ポンプ３３付き外付け循環路３２）を設けて内部の発酵液Ｓを撹拌すると共に、その循環路３２上に加温装置（熱交換器）３４を設けて発酵液Ｓを所要温度に加温している。例えば、ガスホルダ４５のバイオガスＧを燃料とする温水ボイラ４７（図６参照）を設け、その温水ボイラ４７の温水を供給路４８経由で加温装置３４へ供給することができる。必要に応じて図５に示すように、原料槽１０にも撹拌装置１１（例えば循環ポンプ１３付き外付け循環路１２）を設けることができる。
【００２５】
以下、図１を参照して原料槽１０に設けた移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０の作用について説明するが、本発明の適用対象は二槽式の発酵液循環式メタン発酵処理に限定されるものではなく、例えば図８のように一槽式のメタン発酵処理に本発明を適用することも可能である。すなわち、例えば図１の原料槽１０に図８のような有孔隔壁２１を含めることで一槽式の発酵液循環式メタン発酵装置１に転用することが可能であるが、そのような一槽式の原料槽１０とした場合でも、以下に説明する移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０を設けて有効容積の減少を防止することにより、一槽式の発酵液循環式メタン発酵処理を長期間安定的に維持することが可能である。
【００２６】
図示例の原料槽１０には、周辺地域から排出される有機性固形廃棄物Ｃを含む可燃ごみを清掃センター等に集めて処理する場合を想定し、包装（ビニール袋等）を破砕して廃棄物Ｃを適当な大きさに粗粉砕する破砕装置２と、所定粒径（例えば５０ｍｍ）以下の廃棄物Ｃを選別（ふるい分け）するトロンメル等の選別装置３とを設けている。選別装置３で選別された廃棄物Ｃを原料ホッパ７に一時貯留し、取入口８を介して原料槽１０に一定量ずつ連続的に投入する。図６を参照して上述したように発酵液循環式のメタン発酵処理は、難分解性有機物と易分解有機物とを含む廃棄物Ｃを各有機物の分解速度に応じて処理時間を切り分けながらメタン発酵することができ、分解速度の異なる様々な固形有機物を含む可燃ごみ等の廃棄物Ｃを分別せずに連続的に処理する場合に適している。ただし、本発明の処理対象の有機性固形廃棄物Ｃは可燃ごみ等に限定されるわけではない。
【００２７】
原料槽１０の取入口８は、スクリューコンベアにより原料ホッパ７の廃棄物Ｃを原料槽１０内の発酵液Ｓの液面下に押し込む構造となっており、原料槽１０内のバイオガスＧの逆流（流出）を発酵液Ｓの水封により抑制している。ただし、原料槽１０の密閉状態（嫌気状態）を破壊せずに廃棄物Ｃを投入できれば、投入方法は図示例に限定されない。有機性固形廃棄物Ｃ中に混入している大粒径の異物Ｋは選別装置３により一部除去されるが、選別できなかった異物Ｋ（軽量異物Ｍと重量異物Ｇとを含む）は廃棄物Ｃと共に原料槽１０へ投入される。上述したように発酵液循環式のメタン発酵処理では、原料槽１０に投入された軽量異物Ｍは可溶化前の廃棄物Ｃと共に原料槽１０に留まって滞留し、図７のように大きな塊状となって原料槽１０の液面に蓄積する。原料槽１０の液面位置に設けた移動式レーキ６０と周壁貫通のスクリューコンベア７０は、図７のような塊状に蓄積した液面上の軽量異物Ｍを原料槽１０の外部へ排出するためのものである。
【００２８】
例えば可燃ごみ等の有機性固形廃棄物Ｃ中に混入している軽量異物Ｍは、水を含んでも膨潤しない発泡スチロール、ビニール、プラスチック等が主体である。このような軽量異物Ｍを発酵液Ｓと共に固形分の移送可能なポンプ（モーノポンプ等）で排出することも考えられるが、本発明者の実験によれば、含水率の低い発泡スチロール等を含む液体をモーノポンプ等で連続的に排出すると閉塞が頻発する可能性がある。スクリューコンベア７０は、含水率の低い軽量異物Ｍを閉塞させずに連続的に排出する場合に適している。また、原料槽１０の嫌気状態に維持するためには排出路の出口端を水封することが望ましいが、ポンプの水流で押し流す機構の排出路では水封部で軽量異物Ｍを押し出せず、軽量異物Ｍが排出路内に滞留するおそれがある。スクリューコンベア式の排出路によれば、スクリューの押圧によって軽量異物Ｍを水封部（図示例では水槽７５の液面下）に押し出すことができる。図示例は３段のスクリューコンベア７０を組み合わせ、外側３段目のコンベアの出口端を水槽７５に挿入して軽量異物Ｍを押し込む構造とすることにより、原料槽１０を水封する仕組みとなっている。
【００２９】
移動式レーキ６０は、図７のように塊状となった液面上の軽量異物Ｍを掻き取ってスクリューコンベア７０に寄せ集めるものである。本発明者の実験によれば、塊状の軽量異物Ｍにスクリューコンベア７０を挿入しただけでは、挿入位置の軽量異物Ｍを排出することは可能であるが、水の表面張力により相互に付着して壁のような状態となった挿入位置周囲の軽量異物Ｍを排出することは困難である。原料槽１０の液面に沿って移動するレーキ６０により、塊状の軽量異物Ｍを掻き取ってスクリューコンベア７０に寄せ集めることで、液面全体に浮上している塊状の軽量異物Ｍを外部へ排出することができる。
【００３０】
図示例の移動式レーキ６０は、円筒状の原料槽１０の鉛直中心に沿って配置した回転軸６１と、回転軸６１の液面高さに設けた水平腕部材６２と、その腕部材６２に沿って結合した掻き取り羽６３とを有する。また、スクリューコンベア７０を原料槽１０の半径方向に延在させ、回転軸６１の周りの掻き取り羽６３の回転によって液面に浮上している塊状の軽量異物Ｍを少しずつ掻き取ってスクリューコンベア７０に投入している。ただし、移動式レーキ６０の回転は本発明に必須の条件ではなく、例えば原料槽１０が方形槽である場合は、その方形断面の一辺に沿ってスクリューコンベア７０を延在させ、それと直角方向に移動式レーキ６０（水平腕部材６２及び掻き取り羽６３）を移動させて液面に浮上する塊状の軽量異物Ｍをスクリューコンベア７０に寄せ集めることも可能である。
【００３１】
好ましくは、図２に示すように移動式レーキ６０の掻き取り羽６３を、ヒンジ６４により上下動可能に水平腕部材６２へ結合する。図７（Ｂ）を参照して説明したように、塊状の軽量異物Ｍは原料槽１０の内部でバイオガスＧを抱き込んで液面から高く突き出た状態となりうるので、掻き取り羽６３を腕部材６２に固定すると、軽量異物Ｍの浮力によって掻き取り羽６３が上方に跳ね上げられて腕部材６２に過重な負荷がかかるおそれがある。掻き取り羽６３を上下可動式とすることで、液面上に異なる高さで浮上する軽量異物Ｍを、水面下にある軽量異物Ｍと共に効率よく回収することができる。また、上下可動式の掻き取り羽６３にウェイト６５の載置部を設けることで、掻き取り羽６３の掻き取り力をウェイト６５により調整することも可能である。
【００３２】
更に好ましくは、図２に示すように、移動式レーキ６０に中間部分が回転方向前方に折れ曲がった中折れ腕部材６２を含め、その腕部材６２の中折れ部より先端側の内向き部６２ａに掻き取り羽６３をヒンジ結合する。本発明者の実験によれば、原料槽１０の鉛直中心軸の周りに掻き取り羽６３を回転させた場合、回転の遠心力により液面上の軽量異物Ｍが外側に押し出され、掻き取り羽６３の外側の負荷が大きくなる現象が観察された。中折れ腕部材６２によって掻き取り羽６３を内向きとし、軽量異物Ｍを内向きに掻き寄せることにより、掻き取り羽６３の負荷を均等にして効率的な回収が可能となる。
【００３３】
掻き取り羽６３は、図３（Ａ）に示すような突端縁が平坦なフラット羽６３ｂ又は突端縁に複数の櫛型凹凸を設けた櫛型羽６３ｃとすることも可能であるが、図２に示すように突端縁に複数の山型凹凸を設けた山型羽６３ａとすることが望ましい。フラット羽６３ｂは、回転負荷が低く、発砲スチロール等の軽量異物Ｍを効率よく掻き集めることができるが、ビニールや紐状の軽量異物Ｍを効率よく掻き集めるには適していない。櫛型羽６３ｃは、回転負荷が比較的高いものの、ビニールや紐状の軽量異物Ｍも効率よく掻き集めることができる。ただし、長期間使用すると軽量異物Ｍが櫛型凹凸に絡みついた状態となりやすい。山型羽６３ａは、回転負荷が比較的小さく、様々な形状の発砲スチロール、ビニール、紐状の軽量異物Ｍを長期間効率よく掻き集めることに適している。必要に応じて、移動式レーキ６０に種類の異なる複数の掻き取り羽６３を含めてもよい。
【００３４】
更に望ましくは、図２に示すように、原料槽１０の半径方向に延在させたスクリューコンベア７０の原料槽内側部分を断面台形の上端取入溝７２付き異物取入部材７１で囲い、取入部材７１の断面台形の傾斜面７３で移動式レーキ６０の掻き取り羽６３を跳ね上げ可能とする。図示例では、上端にトラフ状の取入溝７２が穿たれた断面台形の異物取入部材７１を原料槽１０の内面から半径方向へ突出させて設け、その取入溝７２と連通する貫通孔を原料槽１０の周壁に穿ち、その貫通孔を通してスクリューコンベア７０を取入部材７１の取入溝７２の内側に配置している。また、取入部材７１の取入溝７２を原料槽１０の液面より高い位置に設け、図２（Ｂ）の矢印に示すように断面台形の傾斜面７３により掻き取り羽６３を跳ね上げ、いわば傾斜面７３を「ならい面」とする掻き取り羽６３の変形又は回転によって液面の軽量異物Ｍを取入溝７２に落とし込む。このように取入溝７２の上方で掻き取り羽６３を跳ね上げる構造とすることにより、液面の軽量異物Ｍを取入溝７２に確実に落とし込むことが期待できる。
【００３５】
上述した移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０によって原料槽１０の液面に浮上した軽量異物Ｍを排出することにより、原料槽１０の有効容積の減少を防止し、異物の混入した有機性固形廃棄物Ｃを発酵液循環式により長期間安定的にメタン発酵処理することができる。移動式レーキ６０は、適当な速度で常時駆動してもよいが、軽量異物Ｍが蓄積する所定時間間隔で又は適宜に駆動することも可能である。原料槽１０から排出された軽量異物Ｍは、例えばスクリューコンベア７０の出口端に接続した水槽７５の水面上に浮上するので、水槽７５から回収して処分することができる。
【００３６】
こうして本発明の目的である「高効率なメタン発酵処理を長期間安定的に維持することができる発酵液循環式メタン発酵方法及び装置」の提供を達成することができる。
【００３７】
なお、図示例の原料槽１０の回転軸６１には、移動式レーキ６０だけでなく、原料槽１０の発酵液Ｓ中に滞留している軽量異物Ｍをほぐすための撹拌棒６６と、原料槽１０の底面上を摺動する下部レーキ６７とが設けられている。図７のように大きな塊状となる前に軽量異物Ｍを撹拌棒６６によってほぐすことにより、移動式レーキ６０による液面からの軽量異物Ｍの回収の容易化を図ることができる。また、図６の従来方法では底部に沈降した重量異物Ｇの排出が不完全となって蓄積が生じうるが、例えば図３（Ｂ）に示すように、下部レーキ６７に原料槽１０の底面沿いに張出した腕部材６８とその腕部材６８に回転方向へ傾斜させて取り付けた掻き取り部材６９とを含め、原料槽１０の底部に沈降した重量異物Ｇを底部中央の排出口１９へ集めて排出の効率化を図ることにより、重量異物Ｍの蓄積による原料槽１０の有効容積の減少を確実に防止することができる。下部レーキ６７の形状は図示例に限定されず、原料槽１０が方形槽である場合は、その方形断面の一辺に沿って下部レーキ６７を移動させて底部に沈降した重量異物Ｇを排出口１９へ寄せ集めることも可能である。
【実施例１】
【００３８】
図５は、本発明による発酵液循環式メタン発酵装置１の他の実施例を示す。図示例の原料槽１は所定高さに肉厚周壁７８とした縮径部７７を設け、上述した移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０を縮径部７７の内側に配置し、その縮径部７７の肉厚周壁７８を鉛直方向に貫通する取入口８を設けている。例えば原料ホッパ７に貯留された有機性固形廃棄物Ｃを、取入口８に設けたスクリューコンベアにより原料槽１０内の発酵液Ｓの液面下に一定量ずつ連続的に押し込ながら投入する。移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０は、図１を参照して上述した構造と同様のものである。
【００３９】
また、図５の固液分離装置２０は、有孔隔壁（例えばスクリーン付き隔壁）２１により仕切られた導入室２２及び分離室２３と、その隔壁２１の導入室２２側表面に対向して旋回する回転翼２４とを有する。原料槽１０の混合液（Ｃ＋Ｓ）が引き抜き路１５を介して導入室２２に導入され、隔壁２１のスクリーンによって固液分離されるが、隔壁２１の導入室側表面に微小間隙を介して回転翼２４を旋回させることにより、導入した混合液（Ｃ＋Ｓ）をほぐすと共に隔壁２１のスクリーンの目詰まりを防止することができる。また、図５の固液分離装置２０の導入室２２は、開閉弁５６ａ付き引き出し路５６を介して残渣処理装置５２に接続され、必要に応じて原料槽１０の発酵液Ｓ中に浮遊している異物Ｌを残渣処理装置５２で除去することができる。固液分離装置２０によって発酵液Ｓを循環させる方法及び残渣処理装置５２による異物の除去方法は、上述した図１及び図６と同様である。
【００４０】
本発明者は、図５に示す発酵液循環式メタン発酵装置１を試作し、有機性固形廃棄物Ｃとして１トン／日の可燃ごみをメタン発酵処理した場合に、原料槽１０に蓄積される異物量を確認する実験を行った。可燃ごみは、破砕装置２で破袋すると共に内容物を１５０ｍｍ以下の粒径に破砕し、選別装置（トロンメル等）３により粒径５０ｍｍ以上の異物Ｋを分離し、粒径５０ｍｍ以下の廃棄物Ｃを選別して原料槽１０に投入した。選別された廃棄物Ｃの組成を確認したところ、バイオガス化に適した固形有機物（生ごみ及び紙ごみ）Ｃが約７５％、バイオガス化に不適な異物（軽量異物Ｍ及び重量異物Ｇ）が約２５％であった。原料槽１０への廃棄物Ｃの投入量を継続的に計測しながら、原料槽１０のスクリューコンベア７０及び排出口１９から排出される軽量異物Ｍ及び重量異物Ｇの排出量を継続的に計測し、それらの計測量から選別廃棄物Ｃの組成に基づいて原料槽１０内に残る異物Ｍ、Ｇ（メタン発酵の未分解の有機物も含む）の蓄積量を推定した。
【００４１】
図４に、原料槽１０の異物蓄積量の推定結果の推移を示す。同図から分かるように、廃棄物Ｃの投入積算量の増加に応じて、原料槽１０の異物Ｍ、Ｇの推定蓄積量（槽内量）も徐々に増加したが、異物Ｍ、Ｇの推定蓄積量は９００〜１０００ｋｇになるとほぼ一定となり、更に投入積算量が増加してもそれ以上に蓄積量は増加しないと推定された。実験完了後に原料槽１０を開放して蓄積した異物Ｍ、Ｇの量を確認したところ、乾重量で９２２ｋｇの異物が蓄積していた。このことから、図４の異物蓄積量の推定結果は妥当であると判断できた。また、原料槽１０から排出される軽量異物Ｍ及び重量異物Ｇ中に固形有機物（生ごみ及び紙ごみ）Ｃは殆ど見られず、固形有機物Ｃのバイオガス化率を約９０％で維持されていることが確認された。この実験結果から、移動式レーキ６０及びスクリューコンベア７０を用いた本発明の異物排出機構が、原料槽１０のメタン発酵効率（嫌気状態）に悪影響を与えることなく異物の蓄積量を抑制し、発酵液循環式による有機性固形廃棄物Ｃの高効率なメタン発酵処理を長期間安定的に維持するために有効であることが確認できた。
【符号の説明】
【００４２】
１…発酵液循環式メタン発酵装置 ２…破砕装置
３…選別装置 ７…原料ホッパ
８…（スクリューコンベア付き）取入口
１０…原料槽 １１…撹拌装置
１２…外付け循環路 １３…循環ポンプ
１４…引き抜き装置 １５…引き抜き路
１６…引き抜きポンプ １７…引き出し路
１８…溢流堰 １９…排出口
２０…固液分離装置 ２１…有孔隔壁（スクリーン付き隔壁）
２２…導入室 ２３…分離室
２４…回転翼 ２５…駆動装置
２６…回転軸 ２７…返戻路
２８…輸送路 ２９…流量計
３０…メタン発酵槽 ３１…撹拌装置
３２…外付け循環路 ３３…循環ポンプ
３４…加温装置（熱交換器） ３５…廃液路
３５ａ…溢流口
４０…供給装置 ４１…供給路
４２…供給ポンプ ４４…ガス回収路
４５…ガスホルダ ４６…脱硫装置
４７…温水ボイラ ４８…温水供給路
５０…制御装置
５２…残渣除去装置 ５３…脱水装置
５４…濾液受け槽 ５５…返送装置（返送ポンプ）
５６…引き出し路 ５７…返送路
６０…移動式レーキ（回転レーキ） ６１…回転軸
６２…（中折れ）水平腕部材 ６２ａ…内向き部
６３…掻き取り羽 ６３ａ…山型羽
６３ｂ…フラット羽 ６３ｃ…櫛型羽
６４…ヒンジ ６５…ウェイト
６６…撹拌棒 ６７…下部レーキ
６８…張出し腕部材 ６９…掻き取り部材
７０…スクリューコンベア ７１…異物取入部材
７２…取入溝 ７３…傾斜面（ならい面）
７５…水槽 ７６…コンテナ
７７…縮径部 ７８…肉厚周壁
Ｃ…有機性固形廃棄物 Ｄ…濾液
Ｅ…固形分 Ｆ…分離液
Ｇ…重量異物 Ｈ…温熱媒体
Ｋ…選別異物 Ｌ…浮遊異物
Ｍ…軽量異物 Ｎ…廃液
Ｓ…発酵液
Ｇ…バイオガス（分解生成ガス）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軽量異物の混入した有機性固形廃棄物を内側の所定高さに移動式レーキと周壁貫通のスクリューコンベアとが設けられた原料槽に投入し、前記原料槽に発酵液を供給し且つ原料槽の発酵液を下方から引き抜いて上方へ戻す循環によって液面を前記所定高さに維持し、前記原料槽に投入された廃棄物を発酵液に浸漬させつつ可溶化して発酵液と共に循環させつつバイオガスに分解し、前記原料槽の液面に浮かぶ軽量異物をレーキの移動によりスクリューコンベアに集めて排出してなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、前記発酵液を貯えるメタン発酵槽を設け、その発酵槽から原料槽へ発酵液を継続的に供給し且つ原料槽の発酵液を継続的に引き抜いて固液分離装置経由で発酵槽へ送ると共に分離された固形分を原料槽へ戻して循環させてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項３】
請求項１又は２の方法において、前記移動式レーキに、水平腕部材とその腕部材にヒンジ結合された掻き取り羽とを含めてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項４】
請求項１から３の何れかの方法において、前記移動式レーキに、複数の山型の凹凸が突端縁に設けられた掻き取り羽を含めてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項５】
請求項１から４の何れかの方法において、前記原料槽の水平断面を円形とし、前記移動式レーキに、前記原料槽の鉛直中心軸周りに回転する中間部分が回転方向前方に折れ曲がった中折れ腕部材とその腕部材の中折れ部より先端側の内向き部にヒンジ結合された掻き取り羽とを含めてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項６】
請求項５の方法において、前記スクリューコンベアを原料槽の半径方向に延在させると共にその原料槽内側部分を断面台形の上端取入溝付き異物取入部材で囲い、前記取入部材の断面台形の傾斜面でレーキの掻き取り羽を跳ね上げ可能としてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項７】
請求項１から６の何れかの方法において、前記原料槽の底部に開閉弁付き排出口を設け、前記移動式レーキに原料槽の底面上を摺動する下部レーキを含め、前記原料槽の発酵液下に沈む異物を下部レーキにより排出口に集めて開閉弁の開放により排出してなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項８】
請求項１から７の何れかの方法において、前記スクリューコンベアに、その出口端を水封する水槽を含めてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項９】
内側の所定高さに移動式レーキと周壁貫通のスクリューコンベアとが設けられた原料槽、前記原料槽に軽量異物の混入した有機性固形廃棄物を投入する取入口、前記原料槽に発酵液を供給する供給路、及び前記原料槽の発酵液を下方から引き抜いて上方へ戻す循環路を備え、前記原料槽に投入された廃棄物を発酵液に浸漬させつつ可溶化して発酵液と共に循環させつつバイオガスに分解し、前記原料槽の液面に浮かぶ軽量異物をレーキの移動によりスクリューコンベアに集めて排出してなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１０】
請求項９の装置において、前記発酵液を貯えるメタン発酵槽を設け、前記供給路に発酵槽の発酵液を原料槽へ継続的に供給する供給装置を含め、前記循環路に原料槽の発酵液を継続的に引き抜いて固液分離し且つ分離した濾液を発酵槽へ送ると共に固形分を原料槽へ戻す固液分離装置を含めてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０の装置において、前記移動式レーキに、水平腕部材とその腕部材にヒンジ結合された掻き取り羽とを含めてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１２】
請求項９から１１の何れかの装置において、前記移動式レーキに、複数の山型の凹凸が突端縁に設けられた掻き取り羽を含めてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１３】
請求項９から１２の何れかの装置において、前記原料槽の水平断面を円形とし、前記移動式レーキに、前記原料槽の鉛直中心軸周りに回転する中間部分が回転方向前方に折れ曲がった中折れ腕部材とその腕部材の中折れ部より先端側の内向き部にヒンジ結合された掻き取り羽とを含めてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１４】
請求項１３の装置において、前記スクリューコンベアを原料槽の半径方向に延在させると共にその原料槽内側部分を断面台形の上端取入溝付き異物取入部材で囲い、前記取入部材の断面台形の傾斜面でレーキの掻き取り羽を跳ね上げ可能としてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１５】
請求項９から１４の何れかの装置において、前記原料槽の底部に開閉弁付き排出口を設け、前記移動式レーキに原料槽の底面上を摺動する下部レーキを含め、前記原料槽の発酵液下に沈む異物を下部レーキにより排出口に集めて開閉弁の開放により排出してなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１６】
請求項９から１５の何れかの装置において、前記スクリューコンベアに、その出口端を水封する水槽を含めてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１】
軽量異物の混入した有機性固形廃棄物を内側の所定高さに移動式レーキと周壁貫通のスクリューコンベアとが設けられた原料槽に投入し、前記原料槽に発酵液を供給し且つ原料槽の発酵液を下方から引き抜いて上方へ戻す循環によって液面を前記所定高さに維持し、前記原料槽に投入された廃棄物を発酵液に浸漬させつつ可溶化して発酵液と共に循環させつつバイオガスに分解し、前記原料槽の液面に浮かぶ軽量異物をレーキの移動によりスクリューコンベアに集めて排出してなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項２】
請求項１の方法において、前記発酵液を貯えるメタン発酵槽を設け、その発酵槽から原料槽へ発酵液を継続的に供給し且つ原料槽の発酵液を継続的に引き抜いて固液分離装置経由で発酵槽へ送ると共に分離された固形分を原料槽へ戻して循環させてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項３】
請求項１又は２の方法において、前記移動式レーキに、水平腕部材とその腕部材にヒンジ結合された掻き取り羽とを含めてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項４】
請求項１から３の何れかの方法において、前記移動式レーキに、複数の山型の凹凸が突端縁に設けられた掻き取り羽を含めてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項５】
請求項１から４の何れかの方法において、前記原料槽の水平断面を円形とし、前記移動式レーキに、前記原料槽の鉛直中心軸周りに回転する中間部分が回転方向前方に折れ曲がった中折れ腕部材とその腕部材の中折れ部より先端側の内向き部にヒンジ結合された掻き取り羽とを含めてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項６】
請求項５の方法において、前記スクリューコンベアを原料槽の半径方向に延在させると共にその原料槽内側部分を断面台形の上端取入溝付き異物取入部材で囲い、前記取入部材の断面台形の傾斜面でレーキの掻き取り羽を跳ね上げ可能としてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項７】
請求項１から６の何れかの方法において、前記原料槽の底部に開閉弁付き排出口を設け、前記移動式レーキに原料槽の底面上を摺動する下部レーキを含め、前記原料槽の発酵液下に沈む異物を下部レーキにより排出口に集めて開閉弁の開放により排出してなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項８】
請求項１から７の何れかの方法において、前記スクリューコンベアに、その出口端を水封する水槽を含めてなる発酵液循環式メタン発酵方法。
【請求項９】
内側の所定高さに移動式レーキと周壁貫通のスクリューコンベアとが設けられた原料槽、前記原料槽に軽量異物の混入した有機性固形廃棄物を投入する取入口、前記原料槽に発酵液を供給する供給路、及び前記原料槽の発酵液を下方から引き抜いて上方へ戻す循環路を備え、前記原料槽に投入された廃棄物を発酵液に浸漬させつつ可溶化して発酵液と共に循環させつつバイオガスに分解し、前記原料槽の液面に浮かぶ軽量異物をレーキの移動によりスクリューコンベアに集めて排出してなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１０】
請求項９の装置において、前記発酵液を貯えるメタン発酵槽を設け、前記供給路に発酵槽の発酵液を原料槽へ継続的に供給する供給装置を含め、前記循環路に原料槽の発酵液を継続的に引き抜いて固液分離し且つ分離した濾液を発酵槽へ送ると共に固形分を原料槽へ戻す固液分離装置を含めてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０の装置において、前記移動式レーキに、水平腕部材とその腕部材にヒンジ結合された掻き取り羽とを含めてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１２】
請求項９から１１の何れかの装置において、前記移動式レーキに、複数の山型の凹凸が突端縁に設けられた掻き取り羽を含めてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１３】
請求項９から１２の何れかの装置において、前記原料槽の水平断面を円形とし、前記移動式レーキに、前記原料槽の鉛直中心軸周りに回転する中間部分が回転方向前方に折れ曲がった中折れ腕部材とその腕部材の中折れ部より先端側の内向き部にヒンジ結合された掻き取り羽とを含めてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１４】
請求項１３の装置において、前記スクリューコンベアを原料槽の半径方向に延在させると共にその原料槽内側部分を断面台形の上端取入溝付き異物取入部材で囲い、前記取入部材の断面台形の傾斜面でレーキの掻き取り羽を跳ね上げ可能としてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１５】
請求項９から１４の何れかの装置において、前記原料槽の底部に開閉弁付き排出口を設け、前記移動式レーキに原料槽の底面上を摺動する下部レーキを含め、前記原料槽の発酵液下に沈む異物を下部レーキにより排出口に集めて開閉弁の開放により排出してなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【請求項１６】
請求項９から１５の何れかの装置において、前記スクリューコンベアに、その出口端を水封する水槽を含めてなる発酵液循環式メタン発酵装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図４】
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−８６１５７（Ｐ２０１２−８６１５７Ａ）
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３５１３９（Ｐ２０１０−２３５１３９）
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 鹿島建設株式会社技術研究所による２０１０年９月３０日発行の鹿島技術研究所年報第５８号の発表論文
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（０００１６２５９３）株式会社協和エクシオ (57)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月１０日（２０１２．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月２０日（２０１０．１０．２０）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 鹿島建設株式会社技術研究所による２０１０年９月３０日発行の鹿島技術研究所年報第５８号の発表論文
【出願人】（０００００１３７３）鹿島建設株式会社 (1,387)
【出願人】（０００１６２５９３）株式会社協和エクシオ (57)
【Ｆターム（参考）】
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